好氧挡板式生物反应器去除氮素化合物的研究

胡 新，鹿 飞，李修好，江 成，陈丰照，曹文平

（1. 江苏方正环保集团有限公司，江苏徐州221002； 2. 江苏莲洋港环保科技有限公司，江苏徐州221003； 3. 徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州221111）

随着城市化、工业化的快速推进，在城市污水量剧增的同时，污水成分也日趋复杂，导致了日趋严重的水污染问题。随着《水十条》的颁布和实施，城市管网建设和雨污分流体系的日趋完善， 城市污水处理厂对保护生态环境发挥着越来越重要的作用。但是，目前城市污水处理厂进水总氮（TN）普遍偏高，而常见的A2/O、氧化沟和CASS 等城市污水处理厂常见工艺均为敞口运行，缺氧单元溶解氧偏高，以致缺氧单元反硝化效果偏低， 导致城市二级污水处理厂出水（简称尾水）TN 超标问题时有发生〔1-2〕。 因此，对尾水进行深度脱氮处理非常必要。

目前， 我国开发的尾水深度处理方法包括物理法、化学法和生物法〔3-4〕。 相比于物理和化学方法，生物法具有效益高、环境友好、能耗低等优点，成为研究的热点〔5〕。 其中，基于尾水深度脱氮的生物膜处理技术〔6〕的研究非常活跃，其包括生物反应器研发和生物载体特性研究〔7〕。

尾水的特点是TN 浓度高、 有机物浓度低且难降解，属于低C/N 污水〔8〕。 在不投加碳源的情况下，通过传统的生物工艺很难去除尾水中的TN，特别是NO3--N。 近些年来，固相反硝化技术（SPD）得到了普遍关注， 缓释碳源作为生物载体和有机碳源被用于去除地下水、饮用水和污水中的NO3--N，并取得了良好的效果〔9-12〕。常见的缓释碳源有树皮、角树、松屑等天然纤维素物质和PLA、PBS、PCL 等合成高分子材料等〔9-11，13〕。 丝竹具有良好的刚性和生物亲和性，且丝竹属于天然纤维物质，其取材广、成本低廉、生物量大、不存在环境风险和生态危害，适合作为缓释碳源使用。 本研究内容:

（1）以改性丝竹作为生物载体和缓释碳源构建生物膜脱氮反应器， 研究该反应器对尾水中氮素化合物的去除效果和特性；

（2）对比研究改性丝竹（一种可生物降解材料）和弹性立体填料（一种不可生物降解材料）作为生物载体的脱氮特征。

1 材料与方法

1.1 反应器构建与生物膜培养

以改性丝竹作为生物载体和缓释碳源构建好氧挡板式生物膜反应器（ABBR），其总有效容积40 L，呈圆柱形（直径40 cm，高40 cm）。 该反应器由挡板隔成左右各为20 L 的区域，左侧为降流区，右侧为升流区。 ABBR 底部由小型充氧泵供气，空气通过微孔曝气盘扩散，左右两侧顶部水体DO 介于3.5～4.5 mg/L。 实验水温（19.0±3） ℃。 实验装置见图1。

图1 实验装置

在ABBR 的降流区和升流区内均填满改性丝竹。 改性丝竹是将制作好的丝竹放入沸水中蒸煮1～2 h，以去除丝竹中水溶性内含物，防止引起二次污染，同时提高丝竹表面亲水性基团数量。丝竹是由多年生毛竹制作而成。 改性丝竹尺寸15 mm ×1 mm×1 mm，截面呈长方形，孔隙率76.4%，比表面积214.8 m2/m3，密度1.72 g/cm3。

接种污泥取自某城市污水处理厂回流的好氧活性污泥，接种污泥MLSS 为8 000 mg/L，接种量为15 L， 加入到ABBR 中使MLSS 达到2 700 mg/L 左右。 经过7 d 连续小水量挂膜，改性竹丝表面形成了较为明显的生物膜。 将没有黏附到丝竹表面的活性污泥倒掉。

1.2 ABBR 脱氮实验方法

污水塔中的尾水通过重力流流入ABBR 的降流区，从ABBR 的升流区顶部出水，水力停留时间为8 h。 尾水取自某污水处理厂一级处理单元出水，该污水处理厂一级处理单元包括机械格栅、旋流沉砂和初次沉淀池等构筑物。 尾水水质:COD 111～145 mg/L，BOD518.7～36.2 mg/L，NH4+-N 11.4～13.6 mg/L，NO3--N 6.7 ～8.2 mg/L，NO2--N 0.67 ～1.09 mg/L，TN 22.4～25.3 mg/L，SS 8～16.5 mg/L。 连续监测进出水氮素化合物浓度变化，研究ABBR 的脱氮效果和特性。

1.3 改性丝竹和弹性立体填料作为生物载体去除 的特性

使用2 个250 mL 烧瓶作为平行的反硝化反应器，烧瓶用橡胶塞密封，以保持缺氧条件。 反应器中产生的气体通过安装在橡胶塞中的排气管排出，排气管口采用水封，隔绝空气但能导出氮气。实验开始前和取样后，用氩气吹脱2 min，使反应器中的DO维持在0.5 mg/L 以下。 每天换水1 次， 沉淀30 min后排出其中100%的水体。 相同条件下（水温25 ℃、摇床摇速90 r/min）连续培养20 d，使改性丝竹和弹性立体填料上形成稳定的反硝化菌生物膜。

反应器A（系统A）:10 g 改性丝竹，150 mL 合成废水，50 mL 接种污泥。反应器B（系统B）:若干克弹性立体填料，150 mL 合成废水，50 mL 接种污泥。 合成废水:初始NO3--N 100 mg/L，pH 7.0，采用NaNO3和KH2PO4配制。 对比研究系统A 和系统B 对NO3--N的去除特性和NO2--N 的积累特性，并在此基础上，计算系统A 对NO3--N 的去除速率。

1.4 分析方法

定期采集样品，采集后2 h 内进行检测。 分析前先通过0.45 μm 膜过滤，然后取滤液进行测定。 利用PIC-10A 离子色谱分析仪（青岛普仁仪器有限公司）测定氮含量（包括NH4+-N、NO3--N、NO2--N）。采用国标法测定TN、BOD、COD 和SS 浓度。 用Oxi300i pH和溶氧仪（德国WTW）测定pH、DO 和水温。

2 结果与讨论

2.1 脱氮效果

构建的ABBR 对尾水中氮的去除效果如图2所示。

图2 ABBR 对TN、NH4+-N、NO3--N 和NO2--N 的去除效果

由图2 可知，进水TN 为22.4~25.3 mg/L，出水TN 为5.87~7.95 mg/L，TN 去除率为66.58%~75.23%（平均值为68.85%）。 对于NH4+-N、NO3--N、NO2--N，进水分别为11.4～13.6、6.7～8.2、0.67～1.09 mg/L， 出水分别为4.23～5.91、1.14～1.76、0.09～0.13 mg/L， 相应的去除率分别为50.96%~66.43%（ 平均值58.29%）、50.96%~66.43%（平均值58.29%）、85.30%~87.79%（平均值为86.43%）。 实验结果表明，最终出水TN和NH4+-N远远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 限值（分别为15 mg/L 和8 mg/L）。

2.2 其他污染物的去除效果

实验结果表明，采用构建的ABBR 处理尾水，当进水COD 为111～145 mg/L（平均值为125 mg/L）时，出水COD 为14～29 mg/L（平均值为20.3 mg/L），COD 去除率为78.95%~88.89%（平均值83.94%），出水COD 达到了《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类水体标准。 另外，经处理后，平均DO 由进水的3.85 mg/L 提高到5.78 mg/L。 可见，尾水经深度处理后，出水COD 进一步降低，DO 则升高，将其排放到受纳水体后将有助于建立一个更健康的生态系统，改善水体自我净化能力。

2.3 改性丝竹和弹性立体填料作为生物载体去除的特性

不同填料反硝化系统对NO3--N 的去除效果如图3 所示。

图3 2 种不同载体脱氮系统对NO3--N 的去除效果

由图3 可知， 系统A 对NO3--N 的去除效果明显，处理3 d 后，NO3--N 接近0。 采用改性丝竹作为生物载体，其中的竹纤维能分解释放出电子供体，主要是低分子有机酸， 可补充缺氧反硝化过程中所需碳源。 而系统B 对NO3--N 的去除率则不高，原因是该系统无法提供连续可用的碳源用于反硝化过程。由图3 还可以看出，在处理的前2 天，系统B 出现NO3--N 升高的现象，到第3 天NO3--N 才出现下降。这可能是因为在碳源缺乏的情况下， 老化的接种污泥细胞壁出现破裂，释放出一定量的含氮有机物，含氮有机物在缺氧条件经过水解、脱氨和硝化等过程转化NO3--N，以致出现NO3--N 不降反升的现象。 此外，系统A 和系统B 的最终出水NO2--N 分别为0.16、0.86 mg/L， 即每去除1 g NO3--N 会产生NO2--N 积累量分别为1.40、6.52 mg，系统B 对NO2--N 的积累量是系统A 的4.66 倍。 碳源不足是导致NO2--N 积累的主要根源之一。 可见，相比于系统B，系统A 具有较高的NO3--N 去除率和较低的NO2--N 积累量。 经计算，系统A 的NO3--N 去除速率达2.13 mg/（L·h）。

3 结论

（1）以改性丝竹作为生物载体和缓释碳源构建ABBR，并用其处理城市污水处理厂尾水。 结果表明，当HRT=8 h 时，TN 去除率为66.58%~75.23%（平均值为68.85%），NH4+-N、NO3--N 和NO2--N 去除率分别为50.96%~66.43%（平均值58.29%）、50.96%~66.43%（平均值58.29%）、85.30%~87.79%（平均值为86.43%），最终出水TN 和NH4+-N 远远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 限值。 以改性丝竹作为生物载体，在其表面能形成较厚的生物膜， 而较厚的生物膜会因传质问题使其内部产生厌氧环境， 厌氧环境又促进了竹纤维素等高分子有机物的微生物发酵过程， 而通过发酵形成的低分子有机物又通过传质作用释放到尾水反硝化脱氮系统中，最终促进了脱氮效果〔14〕。 因此，在溶解氧浓度较高的尾水脱氮过程中， 仍然表现出较高的脱氮效果。

（2）相比于弹性立体填料，改性丝竹填料反硝化系统具有明显的NO3--N 去除优势，以及更低的NO2--N 积累量。 改性丝竹填料反硝化系统对NO3--N去除速率达2.13 mg/（L·h）。